JP3194354B2

JP3194354B2 - 精密鋳造方法及び精密鋳造装置

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Publication number: JP3194354B2
Application number: JP24525696A
Authority: JP
Inventors: 三郎脇田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 2001-07-30
Anticipated expiration: 2016-09-17
Also published as: JPH1085927A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、航空機エンジンの
タービンエキゾーストケース等の大型の耐熱性合金等を
鋳造する精密鋳造方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】航空機
エンジンのタービンエキゾーストケース等の高温強度部
材の大型鋳物の精密鋳造では、ジェットエンジンの高温
高圧化に伴い、ますます高温強度を要求されている。高
温での機械的強度を向上させるために、結晶粒を微細化
することが有効である。

【０００３】図５に示すような航空機エンジンのタービ
ンエキゾーストケースの一般的な精密鋳造方法では、例
えばロストワックス法により製造されたセラミック鋳型
に溶融した溶湯を鋳込み、押湯から凝固に伴う収縮分を
給湯しながら溶湯を凝固させ、製品たる鋳物を得る。溶
湯が凝固した後、鋳型を壊して鋳物を取り出す。

【０００４】このような一般的な鋳造法では、鋳型に注
入された溶湯全体が短時間で凝固するので、図６（ａ）
又は図６（ｂ）に示すように、融液内の鋳型内面全体に
樹脂状晶（デンドライト）が生じ、樹脂状晶が発達して
凝固する。この方法による結晶粒は大きく、高温での機
械的強度に問題がある。

【０００５】この一般的な精密鋳造法に対して、より結
晶粒を微細化する方法としては、鋳型を振動させながら
凝固させる振動鋳造法や、回転の向きを変えたり、回転
を止めたり進めたりしながら溶湯に揺動を加える回転鋳
造法がある。これらの鋳造法は、振動又は回転を与えて
溶湯を攪拌し、デンドライトが大きく成長しない前にデ
ンドライトを壊して結晶粒を微細化するものである。

【０００６】また、凝固温度をコントロールしてスーパ
ーヒートを極力小さくして凝固させる方法がある。更
に、この方法と上記の振動鋳造法又は回転鋳造法とを組
み合わせた鋳造法がある。しかし、このような振動鋳造
法や回転鋳造法では、図７（ａ）に示すように、凝固初
期にデンドライトが鋳型壁面に発生し、このときに溶湯
を攪拌すると、図７（ｂ）に示すように、デンドライト
が鋳型内壁から分断されて脱落し、脱落したデンドライ
トが融液中に分散して密集し、鋳型内を閉塞する状態と
なり、図８（ｃ）に示すように、押湯からの連続的な融
液の供給が途絶え、十分な押湯効果が得られないため、
その結果発生する凝固収縮による空隙欠陥、いわゆる、
引巣が鋳物内部に多量に発生する。上記凝固温度を制御
する鋳造法でも、同様に引巣が発生する。引巣が形成さ
れた鋳物は、疲労強度の低下、高温強度の低下等が生
じ、実用的な強度が得られないため、上記振動鋳造法、
回転鋳造法は実用化に至っていない。

【０００７】一方、一方向凝固法と呼ばれる鋳造法が実
用化されている。この方法は、工業的には引き出し法が
定着しており、底面が解放された鋳型をチルプレートの
上に設置し、鋳型のみを加熱炉で加熱して鋳込み金属の
融点以上の温度に鋳型を保持し、溶湯を鋳込む。チルプ
レートと接触した面から凝固が垂直方向に上に向かって
進行し、柱状晶が成長していく。鋳込んだ後、チルプレ
ートを徐々に引き下げることによって鋳型を加熱炉から
引き出し、鋳型の下端部から上方に向かって徐々に融液
を凝固させていくものである。

【０００８】このような一方向凝固法で得られる鋳物の
組織は、図８に示すように、一方向凝固柱状晶組織にな
り、一般的な鋳造法に比べると高温のクリープ破断強度
は格段に向上するが引張強度及び疲労強度の向上は期待
出来ない。しかしながら、現在では、航空機エンジンの
タービンエキゾーストケース等の鋳物においては、この
ような一方向凝固柱状晶組織よりも更に強度が向上した
鋳物が要望されているのが現状である。

【０００９】本発明は、上記事情に鑑みなされたもの
で、結晶粒を微細化できると共に、引巣が生じ難い精密
鋳造方法及びかかる方法を実現することができる精密鋳
造装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の精密鋳造方法
は、鋳型中の溶湯の一方向凝固を達成する凝固条件の下
で、鋳型に振動又は揺動を加えることによって溶湯を攪
拌しながら凝固させることを特徴とする。これにより、
成長中のデンドライトを分断、微細化する。この場合、
デンドライトが生じるのは融液部と既に凝固した部分と
の境界の固液共存領域であるから、この部分でデンドラ
イトを微細化しても、融液部からこの固液共存部分に給
湯が十分になされるため、引巣が生じ難い。

【００１１】本発明の精密鋳造装置は、鋳型を設置する
プレートと、該鋳型の周囲を包囲する加熱炉と、上記プ
レートを回転させて当該プレートに設置された鋳型中の
溶湯を攪拌する溶湯攪拌装置とを具備し、上記加熱炉を
上昇させるか、又はプレートを下降させることにより、
加熱炉から鋳型を抜き出して、鋳型中の溶湯を鋳型の下
端側から上方に向かって順次凝固させるように構成され
ていることを特徴とする。

【００１２】本発明の精密鋳造装置は、鋳型を設置する
プレートと、該鋳型の周囲を包囲する加熱炉と、上記プ
レートに振動を与えて当該プレートに設置された鋳型中
の溶湯を攪拌する溶湯攪拌装置とを具備し、上記加熱炉
を上昇させるか、又はプレートを下降させることによ
り、加熱炉から鋳型を抜き出して、鋳型中の溶湯を鋳型
の下端側から上方に向かって順次凝固させるように構成
されていることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明するが、本発明は、下記の形
態に制限されるものではない。図１は、本発明の精密鋳
造装置の一形態を示す概略構成図であり、鋳造途中を示
している。この精密鋳造装置１は真空中又は不活性雰囲
気とすることが可能な図示しないチャンバ内に設置され
ている。この精密鋳造装置１は、鋳型２０を設置するチ
ルプレート２が早送り、微細送りで昇降可能なエレベー
ターシャフト３の先端に取り付けられており、エレベー
ターシャフト３の上昇、下降により、チルプレート２が
上昇、下降するようになっている。チルプレート２には
エレベーターシャフト３を通る図示しない水冷コイルが
内蔵され、鋳型２０と接触する面から鋳型２０を冷却す
るようになっている。鋳型２０の周囲を包囲して鋳型２
０内の融液（溶湯）を溶融状態に保つ円筒状の加熱炉４
がチルプレート２の移動空間を覆うように設けられてい
る。加熱炉４の加熱機構は、抵抗炉又は誘導炉のいずれ
でもよい。誘導炉の場合、例えば内方から外方に円筒状
のカーボンサセプタ、断熱材、高周波誘導コイルの順に
配置し、サセプタを高周波誘導コイルで加熱するように
構成する。加熱炉４の上端には耐熱カバー５が設けられ
ている。一方、加熱炉４の下端には、熱を遮断するつば
状のバッフル６が加熱炉４より内方にやや突出して取り
付けられており、これらの加熱炉４、耐熱カバー５、バ
ッフルは保持板７で支持されている。また、バッフルの
直下には水冷コイル（鋳型冷却装置）８がチルプレート
２の移動空間を囲むようにリング状に設けられ、加熱炉
４で加熱されている融液を急激に凝固させることができ
るようになっている。加熱炉による加熱温度と水冷コイ
ルによる冷却温度との温度勾配が大きいほど性能の良好
な鋳造炉であり、生産性が良好になる。そのため、水冷
コイル８は、なるべく加熱炉４に近接させることが好ま
しい。

【００１４】なお、一方向凝固法を実現するためには、
加熱炉４を固定してチルプレート２を下降させるか、又
はチルプレート２を固定して加熱炉４を上昇させる方法
がある。加熱炉を上昇させる場合、加熱炉４、耐熱カバ
ー５、バッフル６、保持板７、及び水冷コイル８は、一
体に構成し、一体に所定の速度で上昇下降できる構造と
する。

【００１５】また、エレベータシャフト３には、図示し
ない回転機構が設けられ、チルプレート２を回転、停
止、反転できるようになっており、チルプレート２に設
置された鋳型内部の融液を攪拌できるようになってい
る。なお、融液を攪拌する機構としては、その他に加振
機を挙げることができ、例えば電動型加振機、電気−油
圧式加振機が適用可能であり、エレベーターシャフト３
又はチルプレート２に取り付けて、鋳型に振動を与える
ようにしてもよい。その他の溶湯を攪拌する手段として
は、特公平６−６１６０４号公報に記載されているよう
な偏心遠心揺動法でも良く、また、誘導攪拌法を採用す
ることも可能である。

【００１６】この精密鋳造装置１は、ガスタービンのタ
ービンケース、ディスク、ブレード、ベーン等の高温強
度部材その他あらゆる分野に使用される鋳物に適用する
ことが可能である。また、対象となる金属としては、す
べての金属、合金に適用可能であるが、とりわけ硬度が
高く、難加工性で鍛造や切削加工が困難なINCONEL 718
(Ni-19Cr-3Mo-0.55Al-0.9Ti-5Nb)のようなＮｉ基超耐熱
合金やＣｏ基超耐熱合金等に有効である。そのため、こ
のような超耐熱合金の鋳造に適したショウプロセス、イ
ンベストメント法（ロストワックス法）、シェルモール
ド法等を採用することができる。

【００１７】次に、このような精密鋳造装置を用いて、
精密鋳造品を製造する工程について説明する。まず、エ
レベーターシャフト２を下降させ、図２に示すように、
例えば湯口２１、押湯部２２、底面が解放されてスター
ターブロック２３を有するセラミックシェル鋳型２０を
チルプレート２上に設置する。なお、図２の鋳型内部
は、最終的な鋳物（製品）を得た状態を示している。次
に、エレベータシャフト３を上昇させて鋳型２０全体を
加熱炉４中に配置し、鋳型２０を加熱炉４で加熱して鋳
込み金属の融点以上の温度に保持する。

【００１８】次に、金属を溶解した図示しない溶融炉か
ら溶湯を鋳型２０の湯口２１から鋳型２０内に注入す
る。融液３０は、スターターブロック２３のチルプレー
ト２と接触した面から凝固が始まり、柱状晶が発生し成
長する。そして、エレベーターシャフト３を徐々に下降
させて、鋳型２０を加熱炉４から下方に徐々に抜き出
し、一方向凝固を行う。このときの下降速度（鋳型の抜
き出し速度）は、５０ｍｍ／ｈ〜５００ｍｍ／ｈ程度と
することが好ましい。鋳型を徐々に加熱炉から下方に引
き抜くことにより、加熱炉４で加熱されている部分は徐
々に上方に移動し、同時に水冷コイル８が鋳型のスター
ターブロック２１から鋳型の上方に移りながら融液を鋳
型下端部から徐々に凝固させる。

【００１９】鋳型２０を加熱炉４から引き下げる際に、
本発明では、鋳型２０内の融液３０に攪拌流を生じさせ
る。融液３０を攪拌する方法として、回転法により融液
に揺動を与える場合、同一方向に回転させる方法、交互
に逆方向に回転させる方法、回転と停止を繰り返す方法
などがある。この場合、同一方向に回転させるときは、
例えば１０〜１００ｒｐｍの回転速度で回転させ、逆方
向に交互に回転させるときは、例えば１０〜１００ｒｐ
ｍの回転速度で１０〜３６０°回転させたときに回転を
停止し、次に１０〜１００ｒｐｍの回転速度で逆転させ
る動作を繰り返すことができる。回転と停止を交互に繰
り返すときは、例えば１０〜１００ｒｐｍの速度で１０
〜３６０°回転させたときに回転を停止させる動作を繰
り返す。加振機により融液に振動を与える場合、振動数
は１０〜３００Ｈｚ、振幅（ストローク）は０．０１〜
３ｍｍ程度で十分である。また、誘導攪拌法により融液
を攪拌するときは、例えば、３ｋＨｚ以上の高周波誘導
加熱の条件を採用することができる。

【００２０】また、融液を攪拌する時期には、種種の形
態がある。図３は、時間に対するチルプレートの位置を
示すグラフである。（ａ）は通常の一方向凝固法である
が、本発明では、この一方向凝固法に際し溶湯を攪拌す
る。例えば（ｂ）に示すように、チルプレートを連続的
に下降させ、その間連続的に攪拌する形態、（ｃ）に示
すように、チルプレートを間欠的に下降させ、下降が停
止中に攪拌する形態、あるいは、（ｄ）に示すように、
連続的に下降させ、間欠的に攪拌する形態などがある。

【００２１】このように、チルプレート２を下降させな
がら融液の凝固を行うと、加熱炉４で加熱されている鋳
型の部分は、鋳込み金属の融点以上の温度になっている
ため、融液状態を維持し、一方、バッフル６直下の冷却
コイル８に接近している鋳型の下部は、凝固している。
そして、上方の融液３０と下方の凝固部３１の境界に
は、マッシーゾーンと呼ばれる固液共存部分３２が形成
される。図１には、鋳造工程の初期段階が示されてお
り、鋳型２０上部の融液３０と、下端部のスターターブ
ロック２１から少し上部まで形成された凝固部３１と、
その中間のバッフル近傍に形成されるマッシーゾーン
（固液共存領域）３２とが形成されている状態を示す。
融液３０の凝固により収縮した分は、押湯２３により給
湯される。

【００２２】このような一方向凝固中に融液を攪拌する
と、図４に示すように、凝固部３１と融液３０との境
界の固液共存領域３２では、デンドライト３２ａが発生
する。この状態で融液を攪拌すると、残存融液に攪拌流
が発生し、図３に示すように、既に核生成し成長しつ
つあるデンドライト３２ａが攪拌流で折損し、デンドラ
イト３２ａが微細化する。これが再び核となり、等軸晶
に成長する。この急激な凝固は固液共存領域３２で起こ
っているため、必要な給湯は固液共存領域３２の上にあ
る融液３０から供給される。つまり、押湯効果が十分に
働くため、引巣が生じることはなく、微細な結晶粒から
なり、かつ等軸晶の鋳物を確実に得ることができる。鋳
型を加熱炉から引き下げるに伴い、固液共存領域３２は
徐々に上方に移動し、図４に示すように、次の固液共
存領域３２でデンドライト３２ａの発生、折損、成長の
操作が繰り返される。

【００２３】本形態の精密鋳造方法では、微細な結晶粒
からなる鋳物を得ることができる。そのため、本発明方
法による鋳造品の結晶粒径は、ＡＳＴＭ粒径が約３（平
均粒径、約０．１２７ｍｍ）以下、特にＡＳＴＭ粒径が
約５（平均粒径、約０．０６４ｍｍ）以下と非常に微細
である。

【００２４】このようにして加熱炉４が製品３１ａより
上部の押湯２３より上方を加熱するところまでチルプレ
ート２を引き下げた後、全体の融液を凝固させる。その
後、鋳型２０を取り出し、鋳型を壊して鋳物を取り出
し、スターターブロック２３等を切断除去し、更に付着
している鋳型を化学処理などで取り除き、検査等を経て
鋳型製品を得る。

【００２５】上記形態では、チルプレートを加熱炉に対
して下降させる例を説明したが、その逆に、チルプレー
トを固定して、加熱炉と冷却装置とを一体に鋳型から引
き上げるようにしても良く、要するに、鋳型と加熱炉と
を相対的に動かして鋳型の一方から他方に向かって融液
を凝固させるようにできればよい。［実施例］２０φ×７０の丸棒を６本組み立てたワックスアッセン
ブリーから精密鋳造鋳型を作成し、図３に示した（ｄ）
のモード（連続的に引き下げながら間欠的に攪拌する態
様）による鋳造法により、ＩＮ−７１８（19Cr-3Mo-5.1
Nb-0.5Al-0.9Ti-0.04C-0.01B-0.052Zr-18.5Fe-Ni残部）
の試験片素材を鋳造した。このときの条件は下記の通り
である。

【００２６】引き下げ速度：２００ｍｍ／ｈ攪拌方法：振動法攪拌時間：１０秒／サイクル攪拌条件：振動数：１５０Ｈｚ、ストローク：０．３ｍ
ｍ［比較例１］実施例と同じ鋳型を作成し、鋳型に注湯後、冷却する普
通の精密鋳造法により、試験片素材を鋳造した。［比較例２］実施例と同じ鋳型を作成し、鋳型に注湯後、振動を与え
ない以外は実施例と同様の条件で一方向凝固法により試
験片素材を鋳造した。［比較例３］実施例と同じ鋳型を作成し、鋳型に注湯後、振動数２０
０Ｈｚ、ストローク０．２ｍｍの単純な振動鋳造法によ
り試験片を鋳造した。

【００２７】以上の実施例、比較例１〜３で得られた試
験片素材から引っ張り試験片と疲労試験片を作成し、常
温引張り特性と高サイクル疲労強度をそれぞれ試験し
た。高サイクル疲労強度試験の条件は、４８０℃，Ｒ＝
−１．０、最大応力４０ｋｇ／ｍｍ² である。常温引っ
張り特性の結果を表１に、高サイクル疲労強度の結果を
表２にそれぞれ示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】また、比較例１の普通鋳造法による凝固組
織は図６（ａ）又は（ｂ）に示したものであり、その平
均結晶粒径は２．６２ｍｍであった。比較例２の一方向
鋳造法による凝固組織は図８に示したものであり、比較
例３の振動鋳造法による凝固組織は図７（ｃ）に示した
もので、平均結晶粒径は０．２８ｍｍであった。本発明
鋳造法による凝固組織は図４に示したようなものであ
り、その平均結晶粒径は、０．０８７ｍｍであった。

【００３１】これらの結果より、本発明の溶湯攪拌一方
向凝固法と呼ぶべき鋳造法により鋳造した鋳物は、組織
が密で凝固収縮欠陥が無く、その結果、常温引っ張り特
性、高サイクル疲労強度が、他の鋳造法と比較して優れ
ていることが認められる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の精密鋳造方法によれば、微細な
結晶粒からなると共に、凝固収縮欠陥がない凝固組織の
精密鋳造品を得ることができる。また、本発明の精密鋳
造装置は、かかる精密鋳造法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の精密鋳造装置の概略の構成を示す断面
図である。

【図２】チルプレートに鋳型を設置した状態を示す断面
図である。

【図３】一方向凝固中の溶湯の攪拌時期の態様を示すグ
ラフである。

【図４】本発明の鋳造法による凝固形態を示す概念図で
あり、は引き下げ中の凝固形態、は振動中の凝固形
態、はの後の引き下げ中の凝固形態を示す。

【図５】精密鋳造法により鋳造される航空機エンジンの
タービンエキゾーストケースを示す斜視図である。

【図６】（ａ）、（ｂ）は、従来の一般的な鋳造法によ
り鋳造された鋳型の組織を示す概念図である。

【図７】一方向凝固法により鋳造された鋳型の組織を示
す概念図である。

【図８】従来の溶湯に振動又は揺動を与える鋳造法によ
る凝固形態を示す概念図であり、（ａ）は凝固初期、
（ｂ）は凝固中期、（ｃ）は凝固終了時を示す。

【符号の説明】

１…精密鋳造装置、２…チルプレート、３…エレベータ
ーシャフト、４…加熱炉、５…耐熱カバー、６…バッフ
ル、７…保持板、８…冷却コイル（冷却装置）、２０…
鋳型、３０…溶湯、３１…凝固部、３２…固液共存領域

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 27/04 B22D 27/08 B22D 27/20 B22D 27/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳型中の溶湯の一方向凝固を達成する凝固
条件の下で、鋳型に振動又は揺動を加えることによって
溶湯を攪拌しながら凝固させることを特徴とする精密鋳
造方法。
【請求項２】前記振動又は揺動を間欠的または連続的に
加える請求項１に記載の精密鋳造方法。
【請求項３】鋳型を加熱する加熱炉とその加熱炉の下方
の冷却部とを一体に上昇させることにより、鋳型の下端
側から上方に向かって溶湯を凝固させる請求項１または
２に記載の精密鋳造方法。
【請求項４】鋳型を加熱する加熱炉とその加熱炉の下方
の冷却部に対して鋳型を下降させることにより、鋳型の
下端側から上方に向かって溶湯を凝固させる請求項１ま
たは２に記載の精密鋳造方法。
【請求項５】鋳型を設置するプレートと、該鋳型の周囲を包囲する加熱炉と、上記プレートを回転させて当該プレートに設置された鋳
型中の溶湯を攪拌する溶湯攪拌装置とを具備し、上記加熱炉を上昇させるか、又はプレートを下降させる
ことにより、加熱炉から鋳型を抜き出して、鋳型中の溶
湯を鋳型の下端側から上方に向かって順次凝固させるよ
うに構成されていることを特徴とする精密鋳造装置。
【請求項６】鋳型を設置するプレートと、該鋳型の周囲を包囲する加熱炉と、上記プレートに振動を与えて当該プレートに設置された
鋳型中の溶湯を攪拌する溶湯攪拌装置とを具備し、上記加熱炉を上昇させるか、又はプレートを下降させる
ことにより、加熱炉から鋳型を抜き出して、鋳型中の溶
湯を鋳型の下端側から上方に向かって順次凝固させるよ
うに構成されていることを特徴とする精密鋳造装置。
【請求項７】前記加熱炉の直下に鋳型の冷却装置を具備
する請求項５または６記載の精密鋳造装置。